3 Wichtige materialwissenschaftliche Durchbrüche – und warum sie für die Zukunft wichtig sind

Nur wenige erkennen die enormen Auswirkungen der Materialwissenschaft.

Um das heutige Smartphone in den 1980er Jahren zu bauen, würde es etwa 110 Millionen US-Dollar kosten, fast 200 Kilowatt Energie benötigen (im Vergleich zu heute 2 kW pro Jahr) und das Gerät wäre laut Omkaram Nalamasu, CTO für angewandte Materialien, 14 Meter hoch.

Das ist die Kraft des Materialfortschritts. Die Materialwissenschaft hat Smartphones demokratisiert und die Technologie in die Taschen von über 3,5 Milliarden Menschen gebracht. Aber weit über Geräte und Schaltkreise hinaus steht die Materialwissenschaft im Mittelpunkt unzähliger Durchbrüche in den Bereichen Energie, Städte der Zukunft, Verkehr und Medizin. Und an der Spitze von Covid-19 treiben Materialwissenschaftler Biomaterialien, Nanotechnologie und andere Materialforschung voran, um eine Lösung zu beschleunigen.

Wie der Name schon sagt, ist die Materialwissenschaft der Zweig, der sich der Entdeckung und Entwicklung neuer Materialien widmet. Es ist ein Ergebnis von Physik und Chemie, wobei das Periodensystem als Lebensmittelgeschäft und die Gesetze der Physik als Kochbuch verwendet werden.

Und heute befinden wir uns mitten in einer materialwissenschaftlichen Revolution. In diesem Artikel werden wir die wichtigsten Materialfortschritte auspacken, die jetzt stattfinden.

Lass uns eintauchen.

Die Materials Genome Initiative

Im Juni 2011 kündigte Präsident Obama an der Carnegie Mellon University die Materials Genome Initiative an, eine landesweite Initiative zur Nutzung von Open-Source-Methoden und KI, um das Innovationstempo in der Materialwissenschaft zu verdoppeln. Obama war der Ansicht, dass diese Beschleunigung für die globale Wettbewerbsfähigkeit der USA von entscheidender Bedeutung ist und den Schlüssel zur Lösung bedeutender Herausforderungen in den Bereichen saubere Energie, nationale Sicherheit und menschliches Wohlergehen darstellt. Und es funktionierte.

Durch die Verwendung von KI, um die Hunderte von Millionen verschiedener möglicher Kombinationen von Elementen abzubilden — Wasserstoff, Bor, Lithium, Kohlenstoff usw.—die Initiative schuf eine riesige Datenbank, die es Wissenschaftlern ermöglicht, eine Art Impro-Jazz mit dem Periodensystem zu spielen.

Diese neue Karte der physischen Welt ermöglicht es Wissenschaftlern, Elemente schneller als je zuvor zu kombinieren, und hilft ihnen, alle möglichen neuartigen Elemente zu schaffen. Und eine Reihe neuer Fertigungswerkzeuge verstärken diesen Prozess weiter und ermöglichen es uns, in völlig neuen Maßstäben und Größen zu arbeiten, einschließlich der atomaren Skala, wo wir jetzt Materialien Atom für Atom bauen.

Größte materialwissenschaftliche Durchbrüche

Diese Werkzeuge haben dazu beigetragen, die Metamaterialien zu entwickeln, die in Kohlefaserverbundwerkstoffen für leichtere Fahrzeuge, fortschrittlichen Legierungen für langlebigere Düsentriebwerke und Biomaterialien zum Ersatz menschlicher Gelenke verwendet werden. Wir sehen auch Durchbrüche in der Energiespeicherung und im Quantencomputer. In der Robotik helfen uns neue Materialien dabei, die künstlichen Muskeln zu schaffen, die für humanoide, weiche Roboter benötigt werden — denken Sie an Westworld in Ihrer Welt.

Lassen Sie uns einige der führenden materialwissenschaftlichen Durchbrüche des letzten Jahrzehnts auspacken.

(1) Lithium-Ionen-Batterien

Die Lithium-Ionen-Batterie, die heute alles von unseren Smartphones bis zu unseren autonomen Autos antreibt, wurde erstmals in den 1970er Jahren vorgeschlagen. Es konnte erst in den 1990er Jahren auf den Markt kommen, und erst in den letzten Jahren begann die Reife zu erreichen.

Als exponentielle Technologie sind diese Batterien seit drei Jahrzehnten im Preis gesunken, zwischen 1990 und 2010 um 90 Prozent und seitdem um 80 Prozent. Gleichzeitig haben sie eine elffache Steigerung der Kapazität gesehen.

Aber genug davon zu produzieren, um die Nachfrage zu befriedigen, war ein anhaltendes Problem. Tesla hat sich der Herausforderung gestellt: Eine der Gigafactories des Unternehmens in Nevada produziert 20 Gigawatt Energiespeicher pro Jahr und ist damit das erste Mal, dass Lithium-Ionen-Batterien in großem Maßstab hergestellt werden.

Musk sagt voraus, dass 100 Gigafactories den Energiebedarf der ganzen Welt speichern könnten. Andere Unternehmen sind schnell dabei, diese Technologie ebenfalls zu integrieren: Renault baut einen Energiespeicher für zu Hause auf der Basis seiner Zoe-Batterien, die 500 i3-Batteriepacks von BMW werden in das nationale Energienetz Großbritanniens integriert, und Toyota, Nissan und Audi haben Pilotprojekte angekündigt.

Lithium-Ionen-Batterien werden weiterhin eine wichtige Rolle bei der Speicherung erneuerbarer Energien spielen und dazu beitragen, die Preise für Solar- und Windenergie im Wettbewerb mit denen für Kohle und Benzin zu senken.

(2) Graphen

Graphen ist ein nur ein Atom dickes Kohlenstoffblatt, das aus demselben Graphit gewonnen wird, der in alltäglichen Bleistiften vorkommt. Es ist fast schwerelos, aber 200 mal stärker als Stahl. Dieses Supermaterial leitet Elektrizität und Wärme schneller ab als jede andere bekannte Substanz und hat transformative Anwendungen.

Graphen ermöglicht Sensoren, Hochleistungstransistoren und sogar Gel, das Neuronen bei der Kommunikation im Rückenmark hilft. Viele flexible Gerätebildschirme, Arzneimittelabgabesysteme, 3D-Drucker, Sonnenkollektoren und Schutzgewebe verwenden Graphen.

Da die Herstellungskosten sinken, kann dieses Material Fortschritte aller Art beschleunigen.

(3) Perowskit

Derzeit liegt der „Umwandlungswirkungsgrad“ eines durchschnittlichen Solarmoduls — ein Maß dafür, wie viel eingefangenes Sonnenlicht in Strom umgewandelt werden kann — bei etwa 16 Prozent zu einem Preis von etwa 3 US-Dollar pro Watt.

Perowskit, ein lichtempfindlicher Kristall und eines unserer neueren neuen Materialien, hat das Potenzial, bis zu 66 Prozent zu erreichen, was das Doppelte dessen wäre, was Siliziumplatten aufbringen können.

Die Inhaltsstoffe von Perowskit sind weit verbreitet und kostengünstig zu kombinieren. Was ergeben all diese Faktoren? Bezahlbare Solarenergie für alle.

Materialien der Nanowelt

Nanotechnologie ist der äußere Rand der Materialwissenschaft, der Punkt, an dem die Manipulation von Materie nanoklein wird – das ist eine Million Mal kleiner als eine Ameise, 8.000 mal kleiner als ein rotes Blutkörperchen und 2,5 mal kleiner als ein DNA-Strang.

Nanobots sind Maschinen, die gesteuert werden können, um mehr von sich selbst zu produzieren, oder mehr von dem, was Sie sonst noch möchten. Und weil dies auf atomarer Ebene geschieht, können diese Nanobots jede Art von Material — Boden, Wasser, Luft — Atom für Atom auseinanderziehen und diese jetzt Rohstoffe verwenden, um so ziemlich alles zu konstruieren.

Der Fortschritt in der Nanowelt war überraschend schnell, mit einer Schar von Nanoprodukten, die jetzt auf dem Markt sind. Willst du nie wieder Kleidung falten? Nanoskalige Additive für Stoffe helfen ihnen, Falten und Flecken zu widerstehen. Machen Sie keine Fenster? Kein Problem! Nanofilme machen Fenster selbstreinigend, entspiegelt und elektrisch leitfähig. Möchten Sie Solar zu Ihrem Haus hinzufügen? Wir haben Nanobeschichtungen, die die Energie der Sonne einfangen.

Nanomaterialien machen leichtere Autos, Flugzeuge, Baseballschläger, Helme, Fahrräder, Gepäck, Elektrowerkzeuge — die Liste geht weiter. Forscher in Harvard bauten einen nanoskaligen 3D-Drucker, der Miniaturbatterien mit einer Breite von weniger als einem Millimeter herstellen kann. Und wenn Sie diese sperrigen VR-Brillen nicht mögen, verwenden Forscher jetzt Nanotechnologie, um intelligente Kontaktlinsen mit einer sechsmal höheren Auflösung als die heutigen Smartphones herzustellen.

Und noch mehr kommt. Gerade jetzt, in der Medizin, Drug Delivery Nanobots erweisen sich als besonders nützlich bei der Bekämpfung von Krebs. Computing ist eine seltsame Geschichte, da ein Bioingenieur in Harvard kürzlich 700 Terabyte Daten in einem einzigen Gramm DNA gespeichert hat.

An der Umweltfront können Wissenschaftler Kohlendioxid aus der Atmosphäre nehmen und es in superstarke Kohlenstoff-Nanofasern für die Herstellung umwandeln. Wenn wir dies in großem Maßstab tun können — angetrieben durch Solarenergie — könnte ein System von einem Zehntel der Größe der Sahara das CO2 in der Atmosphäre in etwa einem Jahrzehnt auf vorindustrielles Niveau reduzieren.

Die Anwendungen sind endlos. Und kommt schnell. In den nächsten zehn Jahren werden die Auswirkungen des Sehr, sehr Kleinen sehr, sehr groß werden.

Abschließende Gedanken

Mit Hilfe von künstlicher Intelligenz und Quantencomputern wird sich die Entdeckung neuer Materialien im nächsten Jahrzehnt exponentiell beschleunigen.

Und mit diesen neuen Entdeckungen werden maßgeschneiderte Materialien alltäglich. Zukünftige Knieimplantate werden personalisiert, um die genauen Bedürfnisse jedes Körpers sowohl in Bezug auf Struktur als auch Zusammensetzung zu erfüllen.

Obwohl für das bloße Auge unsichtbar, werden sich nanoskalige Materialien in unseren Alltag integrieren und Medizin, Energie, Smartphones und mehr nahtlos verbessern.

Letztendlich beginnt der Weg zur Demonetarisierung und Demokratisierung fortschrittlicher Technologien mit der Neugestaltung von Materialien – dem unsichtbaren Wegbereiter und Katalysator. Unsere Zukunft hängt von den Materialien ab, die wir herstellen.

(Hinweis: Dieser Artikel ist ein Auszug aus The Future Is Faster Than You Think – mein neues Buch, das gerade am 28.Januar veröffentlicht wurde! Um Ihr eigenes Exemplar zu erhalten, klicken Sie hier!)

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Dieser Artikel erschien ursprünglich auf diamandis.com . Lesen Sie den Originalartikel hier.

Bildnachweis: Anand Kumar von

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